JP2006147536A - Lighting system provided with reflection type collimator and image projection device adopting it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を視準して照射する照明装置及びそれを採用した画像投射装置に関する。 The present invention relates to an illumination device that collimates and irradiates light, and an image projection device that employs the illumination device.
照明装置は、光源から放出される光を照明対象体に有効に照射される角度範囲で効率的に視準するために、レンズをはじめとする多様な形態のコリメータを採用している。 The illumination device employs various forms of collimators including a lens in order to efficiently collimate the light emitted from the light source within an angular range in which the illumination target is effectively irradiated.
一例として、画像投射装置は、光変調素子を照明するための照明装置を備える。照明装置の光源としては、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプが使われる。メタルハライドランプや超高圧水銀ランプは、そのサイズが非常に大きくて照明装置が大型化されるという問題点がある。また、これらランプは、その寿命がせいぜい数千時間ほどである。したがって、家庭用として使われる場合に、ランプを頻繁に交換せねばならないとい不便さがある。このような問題を解決するために、光源として相対的に寿命が長い発光ダイオード(LED)などの小型光源を使用しようとする研究が進められつつある。 As an example, the image projection apparatus includes an illumination device for illuminating the light modulation element. A metal halide lamp or an ultra-high pressure mercury lamp is used as the light source of the lighting device. Metal halide lamps and ultra-high pressure mercury lamps have a problem that their size is very large and the lighting device is enlarged. Also, these lamps have a lifetime of several thousand hours at most. Therefore, when it is used for home use, there is an inconvenience that the lamp must be replaced frequently. In order to solve such a problem, researches are going on to use a small light source such as a light emitting diode (LED) having a relatively long lifetime as a light source.
LEDは、一般的にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプに比べて、光量が少ない。したがって、画像投射装置の光源としては、複数のLEDがアレイ化されたLEDアレイが使われる。光を集光するためには、一般的にレンズを使用するが、この場合に、光効率が低下するという問題点がある。 LEDs generally have less light intensity than metal halide lamps or ultra-high pressure mercury lamps. Therefore, an LED array in which a plurality of LEDs are arrayed is used as the light source of the image projection apparatus. In order to condense light, a lens is generally used. In this case, however, there is a problem that the light efficiency is lowered.
図1及び図2を参照しつつ、光効率の低下をさらに詳細に説明する。近軸領域では、像のサイズと角度との積が保存される。したがって、LEDの発光面積と発光角度の立体角との積が保存量となり、これをエテンデューという。図1に示したように、一つのLEDを使用する場合、LEDの発光面積ΦLと立体角ULとの積は、光変調素子の発光面積ΦPと立体角UPとの積と同一にできる。 The reduction in light efficiency will be described in more detail with reference to FIGS. In the paraxial region, the product of image size and angle is preserved. Therefore, the product of the light emission area of the LED and the solid angle of the light emission angle is the storage amount, which is called etendue. As shown in FIG. 1, when using a single LED, the product of the emission area [Phi L and solid angle U L of the LED is equal to the product of the emission area of the light modulation element [Phi P and solid angle U P Can be.
複数のLEDをアレイ化して使用する場合には、図2に示したように、LEDアレイの発光面積ΣΦLが一つのLEDを使用する場合の発光面積ΦLより大きくなる。このとき、LEDとLEDアレイの発光角度の立体角ULが同一であり、光変調素子の面積ΦPは同一である。したがって、エテンデューが保存されるためには、LEDアレイを使用する場合に、光変調素子の発光角度の立体角UP’は、一つのLEDを使用する場合に比べて大きくなる。投射レンズによって有効に投射される角度は、UPであるので、UPより大きい角度範囲の光は、投射レンズによって有効に投射されない。したがって、図2に示したような損失が発生して光効率を低下させ、結果的に、画像投射装置の輝度は、LEDアレイに使われるLEDの数の増加にも拘わらず、上昇幅が制限される。
本発明が解決しようとする技術的課題は、光源から放射される光を効率的に視準できるように改善された照明装置及びそれを採用した画像投射装置を提供することである。 The technical problem to be solved by the present invention is to provide an illumination device improved so that light emitted from a light source can be efficiently collimated and an image projection device employing the illumination device.
前記課題を達成するための本発明の照明装置は、放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部を備える反射器と、前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、前記出光部の開口角より小さい放射角度を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える。 In order to achieve the above object, an illumination device according to the present invention includes a parabolic reflecting surface, a reflector having alternating light incident portions and light emitting portions, and irradiating the reflecting surface through the light incident portion. A light source, a light source deviation compensation unit that is interposed between the reflector and the light source and aligns an image of the light source with a focus of the reflection surface, and a light having a radiation angle smaller than an opening angle of the light emitting part Optical path changing means for guiding at least a part of the light guide to the reflecting surface.
前記課題を達成するための本発明の画像投射装置は、複数の光を照射する複数の照明装置と、前記複数の照明装置から入射された複数の光を画像データに合せて順次に変調する光変調素子と、前記光変調素子から出射された複数の光を拡大投射する投射レンズ装置とを備え、前記照明装置は、放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部を備える反射器と、前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、前記出光部の開口角より小さい放射角度を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える。 In order to achieve the above object, an image projection apparatus according to the present invention includes a plurality of illumination apparatuses that irradiate a plurality of lights, and a light that sequentially modulates a plurality of lights incident from the plurality of illumination apparatuses according to image data. A modulation lens and a projection lens device that magnifies and projects a plurality of lights emitted from the light modulation device, and the illumination device includes a parabolic reflection surface, alternating light incident portions and light exit portions. A reflector comprising: a light source that irradiates light to the reflecting surface through the light incident portion; and a light source shift that is interposed between the reflector and the light source so that the image of the light source is focused on the reflecting surface. Compensating means, and optical path changing means for guiding at least a part of the light having a radiation angle smaller than the opening angle of the light exiting portion to the reflecting surface.
一実施形態として、前記光源は、前記反射面の焦点に位置し、前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズを備える。一実施形態として、前記光路変更手段は、前記球面レンズの前記出光部側の一部を傾斜して切断することによって形成される傾斜面を備える。 In one embodiment, the light source is located at the focal point of the reflecting surface, and the light source deviation compensating means includes a spherical lens whose center is located at the focal point of the reflecting surface. As one embodiment, the optical path changing means includes an inclined surface formed by inclining and cutting a part of the spherical lens on the light output part side.
一実施形態として、前記光源の光軸は、前記反射面の主軸と垂直になっている。 As one embodiment, the optical axis of the light source is perpendicular to the main axis of the reflecting surface.
一実施形態として、前記反射面は、円錐係数Kが−0.4ないし−2.5範囲の非球面である。 In one embodiment, the reflecting surface is an aspherical surface having a conical coefficient K in the range of -0.4 to -2.5.
本発明による照明装置及びそれを採用した画像投射装置によれば、光利用効率を向上させることができ、小型化された照明装置及び画像投射装置の具現が可能である。 According to the illumination device and the image projection device employing the illumination device according to the present invention, it is possible to improve the light use efficiency and to realize a miniaturized illumination device and image projection device.
以下、添付した図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図3は、本発明による照明装置の一実施形態を示す断面図である。図3を参照するに、照明装置は、光源10と反射器20とを備える。反射器20は、反射面21と、入光部22と、出光部24とを備える。入光部22と出光部24とは、それぞれ異なる方向で反射面21と対面し、かつ交互される。反射面21は、放物面状である。ここで、放物面状とは、円錐係数K=−1である厳密な放物面のみを意味するのではない。少なくとも本明細書で使われる反射面21は、Kが−0.4ないし−2.5の範囲、望ましくは、−0.7ないし−1.6の範囲の非球面を意味する。反射面21のK値は、光源10から放射される光を照明しようとする対象体に有効に照明される放射角度範囲に視準するために、前記の範囲内で適切に選定される。以下では、K=−1である反射面21を例として説明する。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of a lighting device according to the present invention. Referring to FIG. 3, the lighting device includes a
光源10は、例えば、一つ以上のLED11を使用できる。光源10は、入光部22を通じて反射面21に光を照射する。反射面21による視準効果を高めるためには、光源10は、反射面21の焦点Fに位置せねばならない。言い換えれば、光源10は、LED11が反射面21の焦点Fに位置するように設置されねばならない。しかし、光源10の形状や反射器20の形状などの制約によって、光源10を反射面21の焦点Fに位置させられない場合が発生することもある。
As the
このような光源10の焦点Fに対する位置偏移を補償するために、照明装置は、光源10の像を焦点Fに合わせる光源偏移補償手段をさらに備える。図3には、光源偏移補償手段(光源偏移補償部)の一例として、透光体からなるレンズ30が示されている。光源10から放射された光は、レンズ30を通過して反射面21に入射される。レンズ30の曲面31は、反射面21に入射される光の延長線(図3の点線)が反射面21の焦点Fに集まるに適切な球面または非球面である。このような構成によって、光源10があたかも反射面21の焦点Fに位置して光を照射するのと同じ効果を得られる。光は、反射面21で反射されて、主軸26とほぼ平行な平行光に視準される。光は、出光部24に出射される。厳密にいって、光源10は、点光源となれない。したがって、“ほぼ平行光”とは、光源10が事実上面光源であるので、全ての光が焦点Fから放出されるものではないため、光が完全な平行光とならないということを意味する。前述した実施形態では、光源10がその光軸13が主軸26とほぼ垂直になるように配置されるが、これにより、本発明の範囲が限定されるものではない。
In order to compensate for such a positional shift of the
レンズ30から出射される光のうち、反射面21の焦点Fを基準として出光部24の開口角Bより小さい放射角度の光L1は、反射面21に入射されず、直ぐ出光部24を通じて放出される。したがって、このような光L1は、視準されない。このように、視準されない光L1は、対象体を照明するために有効に使われず、損失される。したがって、光利用効率が低下する。
Of the light emitted from the
このような損失光L1を減らすために、本実施形態の照明装置は、出光部24の開口角Bより小さい放射角度の光を反射面21に入射させるための光路変更手段を備える。図3及び図4には、光路変更手段(光路変更部)の一例として、レンズ30を一部切断することによって形成される傾斜面40が示されている。光源10から出射された光L2は、レンズ30に入射され、傾斜面40を通じて出射される。このとき、図4に示したように、レンズ30の屈折率と、レンズ30と反射面21との間の媒質(例えば、空気)の屈折率との差によって、光L2は、傾斜面40を通過しつつ屈折されて、その経路が変更される。例えば、レンズ30の屈折率を約1.5、空気の屈折率を約1であるとすれば、光L2は、傾斜面40の法線L4から遠ざかる方向に屈折される。屈折された光L3は、反射面21に入射される。このような構成によって、反射面21によって視準される光量を増加させて光利用効率を向上させることができる。
In order to reduce such lost light L1, the illuminating device of the present embodiment includes an optical path changing unit for causing light having a radiation angle smaller than the opening angle B of the
図5には、本発明による照明装置の他の実施形態が示されている。図5を参照するに、光源10は、反射面21の焦点Fに位置する。光源偏移補償手段の一例であるレンズ30aの曲面31aは、中心が焦点Fに位置する球面である。光路変更手段の一例である傾斜面40aは、レンズ30aを傾斜して切断することによって形成される。このような構成によって、図3及び図4で説明したような効果を得られる。
FIG. 5 shows another embodiment of a lighting device according to the present invention. Referring to FIG. 5, the
前述したように、本発明による照明装置によれば、光源偏移補償手段をさらに備えることによって、照明装置の設計自由度を高めうる。また、光路変更手段をさらに備えることによって、光利用効率を向上させることができる。また、複数のLEDを採用した光源10を使用する場合に、レンズを利用せず、反射面21を利用して、光を視準するため、図1及び図2で説明したような光利用効率の低下なしに高い効率で光を視準することができる。また、複数のLEDを採用した光源10を使用することによって、照明装置の小型化が可能である。
As described above, according to the illumination device of the present invention, the light source deviation compensation means is further provided, so that the design freedom of the illumination device can be increased. Moreover, the light utilization efficiency can be improved by further providing an optical path changing means. Moreover, when using the
以下では、前述した照明装置を適用した画像投射装置について説明する。 Hereinafter, an image projection apparatus to which the above-described illumination device is applied will be described.
図6は、本発明による画像投射装置の一実施形態を示す構成図である。図6を参照するに、照明装置100R,100G,100B、光変調素子200、投射レンズ装置300が示されている。照明装置100R,100G,100Bは、それぞれ赤色(R)、緑色(G)、青色(B)光を放出する。各照明装置100R,100G,100Bは、例えば、図3または図5に示したような構成を有する。光変調素子200は、各照明装置100R,100G,100Bから順次に放出される赤色、緑色、青色光を画像データに合せて順次に変調する。本実施形態の画像投射装置は、一つの反射型光変調素子200を使用する単板式画像投射装置である。光変調素子200としては、例えば、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)が使用されうる。
FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of an image projection apparatus according to the present invention. Referring to FIG. 6,
照明装置100R,100G,100Bから順次に出射される赤色、緑色、青色光は、二色フィルタ401a,401bによって共通の光路に案内されてインテグレータ403に入射される。二色フィルタ401aは、赤色光を反射させ、残りの光は透過させる。二色フィルタ401bは、青色光を反射させ、残りの光は透過させる。インテグレータ403は、均一な光度を有する面光を形成する。インテグレータ403としては、四角断面を有するガラスロードまたは内部反射面を有する光トンネルが採用される。コンデンシングレンズ装置402は、光を集光させてインテグレータ403に入射させる。インテグレータ403から出射された光は、TIR(トータルインターナルリフレクション)プリズム405を経て、光変調素子200に入射される。リレーレンズ装置404は、インテグレータ403から出射される光を光変調素子200の開口に合せて拡大または縮少する。光変調素子200は、赤色、緑色、青色光を画像情報に対応するように順次に変調させる。変調された光は、TIRプリズム405によって投射レンズ装置300に案内される。投射レンズ装置300は、変調された光をスクリーンSに拡大投射する。
Red, green, and blue light sequentially emitted from the
前記のような画像投射装置によれば、光源偏移補償手段をさらに備える照明装置を採用することによって、照明装置及び画像投射装置の設計自由度を高めうる。また、光路変更手段をさらに備える照明装置を採用することによって、光利用効率を向上させることができる。また、放物面状の反射面21を利用して光を視準することによって、複数のLEDを採用した光源10を採用する場合にも、光損失を減少ないし防止しうる。したがって、画像投射装置の輝度を高めうる。また、複数のLEDを採用した光源10を使用することによって、小型化された画像投射装置の具現が可能である。
According to the image projection apparatus as described above, the degree of freedom in designing the illumination apparatus and the image projection apparatus can be increased by adopting the illumination apparatus further provided with the light source deviation compensating means. Moreover, the light utilization efficiency can be improved by employing an illuminating device further provided with an optical path changing means. In addition, by collimating the light using the
本発明は、添付された図面に示された一実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。 Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely illustrative, and various modifications and equivalent other embodiments will occur to those skilled in the art. You can see that is possible. Therefore, the true protection scope of the present invention must be determined by the claims.
本発明は、画像投射関連の技術分野に適用されうる。 The present invention can be applied to technical fields related to image projection.
10 光源
11 LED
13 光軸
20 反射器
21 反射面
22 入光部
24 出光部
26 主軸
30 レンズ
40 傾斜面
L1,L3 光
F 焦点
B 開口角
10
13
Claims (22)
前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、
前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、
前記出光部の開口角より小さい放射角を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備える照明装置。 A reflector comprising a parabolic reflecting surface and alternating light incident and exit portions;
A light source that irradiates the reflective surface with light through the light incident portion;
A light source deviation compensating means interposed between the reflector and the light source, for aligning the image of the light source with the focal point of the reflecting surface;
An illumination device comprising: an optical path changing unit that guides at least a part of light having an emission angle smaller than an opening angle of the light output unit to the reflection surface.
前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズであることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。 The light source is located at the focal point of the reflective surface;
The illumination device according to claim 1, wherein the light source deviation compensating means is a spherical lens whose center is located at a focal point of the reflecting surface.
放物面状の反射面と、交互される入光部及び出光部とを備える反射器と、
前記入光部を通じて前記反射面に光を照射する光源と、
前記反射器と前記光源との間に介在されて、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償手段と、
前記出光部の開口角より小さい放射角を有する光の少なくとも一部を前記反射面に案内する光路変更手段とを備えることを特徴とする画像投射装置。 A plurality of illumination devices that irradiate a plurality of lights, a light modulation element that sequentially modulates a plurality of lights incident from the plurality of illumination devices according to image data, and a plurality of lights emitted from the light modulation elements A projection lens device for enlarging and projecting, the illumination device,
A reflector comprising a parabolic reflecting surface and alternating light incident and exit portions;
A light source that irradiates the reflective surface with light through the light incident portion;
A light source deviation compensating means interposed between the reflector and the light source, for aligning the image of the light source with the focal point of the reflecting surface;
An image projection apparatus comprising: an optical path changing unit that guides at least a part of light having an emission angle smaller than an opening angle of the light output unit to the reflection surface.
前記光源偏移補償手段は、中心が前記反射面の焦点に位置する球面レンズであることを特徴とする請求項7に記載の画像投射装置。 The light source is located at the focal point of the reflecting surface;
The image projection apparatus according to claim 7, wherein the light source deviation compensation unit is a spherical lens whose center is located at a focal point of the reflection surface.
前記光源から照射される光を出光部に反射させる反射面と、
前記光源の像を前記反射面の焦点に対する位置偏差を補償する光源偏移補償手段と、
前記光源から照射される光のうち、前記反射面に入射されていない範囲の光を前記反射面に入射されるように案内する光路変更手段とを備える照明装置。 In an illumination device that collimates light emitted from a light source,
A reflecting surface that reflects the light emitted from the light source to the light emitting portion;
Light source deviation compensation means for compensating a positional deviation of the image of the light source with respect to the focal point of the reflecting surface;
An illumination device comprising: an optical path changing unit that guides light in a range not incident on the reflecting surface out of the light emitted from the light source so as to be incident on the reflecting surface.
前記入光部を通じて前記放物反射面に光を照射する光源と、
前記光源と前記放物反射面との間に介在されるものであって、前記光源の像を前記反射面の焦点に合わせる光源偏移補償部と、前記光源から照射される光のうち、前記放物反射面に入射されない範囲の光を屈折させて、前記放物反射面に入射させる光路変更部とを備える光学手段とを備える照明装置。 A reflector comprising a parabolic reflecting surface, a light incident portion and a light exit portion;
A light source that irradiates the parabolic reflecting surface with light through the light incident portion;
A light source shift compensator that is interposed between the light source and the parabolic reflecting surface and aligns an image of the light source with a focus of the reflecting surface; An illuminating apparatus comprising: an optical unit including an optical path changing unit that refracts light in a range not incident on the parabolic reflecting surface and causes the light to enter the parabolic reflecting surface.
前記一つ以上の光源に対応して光を視準して反射させる反射面と、前記光源の前記反射面の焦点に対する位置偏差を補償する光源偏移補償部と、前記光源から照射される光のうち、前記反射面に入射されていない範囲の光を屈折させて、前記反射面に入射させる光路変更部と、を備える光学手段と、
前記視準された光を画像データに合せて順次に変調する光変調素子と、
前記光変調素子から出射された複数の光を拡大投射する投射レンズ装置とを備えることを特徴とする画像投射装置。 One or more light sources that emit light of a specific hue;
Reflecting surface for collimating and reflecting light corresponding to the one or more light sources, a light source deviation compensating unit for compensating a positional deviation of the light source with respect to the focus of the reflecting surface, and light emitted from the light source An optical path changing unit that refracts light in a range not incident on the reflecting surface and makes the light incident on the reflecting surface;
A light modulation element that sequentially modulates the collimated light according to image data;
An image projection device comprising: a projection lens device that enlarges and projects a plurality of lights emitted from the light modulation element.
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